Composites magnétiques doux de type nanocristallins : Mise en forme des poudres et contrôle des propriétés magnétiques pour applications hautes fréquences
Contexte : L’atteinte de la neutralité carbone en 2050 passe par une électrification massive des usages. L’électronique de puissance (EP) est le système de contrôle qui permettra cette mutation (pénétration des EnR, intégration des micro-réseaux d’énergie, développement de la mobilité électrique) - Problématique : Les développements actuels des convertisseurs de l’EP visent à augmenter les fréquences de commutation des interrupteurs grands gaps (SiC ou GaN). A basse fréquence les composants magnétiques restent volumineux et occupent jusqu’à 40% de l’encombrement total. A haute fréquence (HF > 100 kHz) des gains très importants sont espérés mais ceci uniquement si les pertes générées dans ces composants restent maitrisées. Aujourd’hui la seule classe de matériaux magnétiques appliquée à la HF reste les céramiques de type ferrites MnZn ou NiZn du fait de leur faible cout et de leur bonne résistivité électrique (?elec > 1 O.m). Les principaux inconvénients de ces matériaux sont reliés à leur faible induction à saturation (Bsat < 0.4 T) qui limite la réduction de dimension) et aussi à leur fragilité mécanique. Les matériaux nanocristallins ont des Bsat meilleures (1.3 T), mais leur ?elec est de l’ordre de 1.5 µO.m (6 fois moins résistif que les ferrites) ce qui génère des pertes par courant induits importants à HF. Objectif de la thèse : Développer des composites magnétiques en suivant des étapes de : broyage de rubans nanocristallins, d'isolation électrique des poudres (revêtement d'épaisseur fine par sol-gel), de compaction des poudres à haute pression (1000-2000 MPa) pour la mise en forme du noyau puis d’une relaxation thermique des contraintes pour minimiser les champs coercitifs et obtenir des pertes plus faible à HF
Développement de catalyseurs d’hydrogénation du CO2 en oléfines légères
Les oléfines légères comme l’éthylène et le propylène font partie des composés organiques les plus produits dans le monde, en tant qu’intermédiaires lors de la production de polymères, solvants, etc... Ces molécules sont issues de ressources fossiles, notamment produit par vapo-crackage du naphta. La réduction de l’empreinte carbone des produits issus de ces oléfines légères passera par l’utilisation de ressources non-fossiles pour leur production. Comme souligné par le GIEC dans son rapport sur les solutions de mitigations contre le réchauffement climatique, le CO2 atmosphérique est la source de carbone à considérer.
L’objectif de la thèse consiste à développer un catalyseur pour l’hydrogénation directe du CO2 en oléfines légères. L’hydrogénation directe consiste en la transformation du CO2 en molécules à hautes valeurs ajoutées en un seul réacteur. Les catalyseurs développés seront à base de Fe combinant la fonction Reverse Water Gas Shift (RWGS) et polymérisation type Fischer-Tropsch (FT). Le sujet proposé vise à préparer des nanoparticules de Fe de taille et composition contrôlées et de les déposer sur des supports (alumine, silice, carbone …), afin de mieux comprendre les phases du Fe (carbure, oxyde) mises en jeu dans ces réactions. Les catalyseurs développés seront évalués en réacteur capillaire, et finement caractérisés par diverses méthodes (DRX, XPS, HRTEM,…) pour permettre la compréhension des mécanismes réactionnels.
Rôle des propriétés de surface des particules de poudres UO2 sur leur aptitude à l'agglomération et leur comportement rhéologique
Cette étude s’inscrit dans un contexte de prédiction du comportement à l’écoulement d’une poudre dans le cadre de la fabrication de combustible nucléaire. Cette problématique est très fréquente dans de nombreux domaines industriels, car le mauvais écoulement d’une poudre peut induire des problèmes tels que le colmatage de conduites, des cadences réduites et la présence d’hétérogénéités dans le produit final.
La thèse proposée portera d’une part sur la description des agglomérats de poudre et d’autre part sur la caractérisation chimique et structurale de leur surface. Ces données structurales et surfaciques des particules de poudre UO2 permettront de mieux comprendre leurs propriétés d’agglomération / désagglomération afin de les relier à leurs propriétés d’écoulement.
Le futur doctorant sera amené à utiliser et développer des moyens expérimentaux (outils d’analyse des particules, mesures de propriétés de surface, caractérisation de l’agglomération, mesures de propriétés rhéologiques) de l’institut IRESNE (CEA-Cadarache).
Ce sujet, bien qu’appliqué aux poudres d’oxyde d’uranium, revêt un caractère générique propre à l’étude des milieux granulaires. Ainsi, à l’issue de cette thèse le doctorant valorisera ses résultats au travers de publications et participations à des congrès et aura acquis une expertise dans le domaine des milieux granulaires et des propriétés de surface. Ces compétences sont recherchées et valorisables dans un grand nombre de domaines industriels qui utilisent des poudres (pharmacie, agro-alimentaire, métallurgie et matériaux de construction...).
Compréhension des mécanismes de soudage diffusion d’un alliage de titane biphasée a+ß
Dans le cadre d'un projet nucléaire à courte échéance, le CEA/LITEN supporte les activités de fabrication d’un générateur de vapeur en alliage de titane par CIC (Compression Isostatique à Chaud). Selon son histoire thermique et/ou thermomécanique, l’alliage de titane, Ta6V, présente des phases en proportion, compositions chimiques et structures cristallographiques différentes.
Comment se passe le soudage diffusion entre deux phases différentes ? Y en a-t'il une qui arrive à mieux franchir l'interface et si oui, pourquoi ? Quels paramètres de CIC ont une réelle influence ? Quelle microstructure de départ permet un soudage optimal ?
Ce sont les questions auxquelles cette thèse propose de réponse.
Etude des relations ténacité - microstructure de nouveaux aciers nano-renforcés à haute performance
Les aciers ODS sont envisagés comme matériau pour les réacteurs de quatrième génération. Ils offrent une haute résistance en traction, en fluage [1-3]. Ce haut niveau de renforcement s’accompagne d’une réduction de la ductilité et de la ténacité. La mise en forme de tubes modifie la microstructure, il convient donc d’évaluer les propriétés du matériau sous sa forme finale. Les travaux de B. Rais [4] ont permis de comparer les différents essais et de développer un essai et une méthode d’analyse pour la mesure de ténacité sur tube mince.
Cette présente thèse utilisera ce nouvel essai afin d’évaluer la ténacité de diverses nuances ODS. Des microstructures variées issues de productions historiques et récentes permettront d’identifier les mécanismes, les paramètres clés pilotant la ténacité et d’identifier les paramètres microstructuraux qui pilotent la réponse du matériau. Dans ce travail on s’intéressera à des nuances ferritiques / martensitiques dont certaines sont issues d’un procédé de fabrication qui fait l’objet d’un dépôt de brevet [5-6] et pour lesquelles on observe pour la première fois des propriétés en résilience remarquables, associées à des bonnes propriétés mécaniques à chaud.
L’étude s’appuiera sur une confrontation expérience / modélisation. Ce travail de recherche appliquée permettra à l’étudiant d’acquérir des compétences solides en mécanique de la rupture et en caractérisation fine des matériaux (MEB, EBSD…). La bonne compréhension des relations propriétés mécaniques / microstructure permettra de comprendre l’origine des propriétés observées et de proposer de nouvelles optimisations sur les microstructures pour améliorer le comportement mécanique et / ou la mise en forme du matériau.
*Profil étudiant : Ingénieur ou M2 Mécanique / Matériaux
*Possibilité de faire un stage de Master / fin d'étude sur ce sujet en préalable à la thèse
Effet du champ de déformation élastique sur la formation sur les défauts d’irradiation formés dans des métaux purs
Dans le contexte actuel de prolongation de la durée de fonctionnement des centrales nucléaires actuelles, un important programme de surveillance des matériaux de structure est en place. Il est primordial pour contrôler le vieillissement des matériaux et garantir leurs propriétés mécaniques. Lors du fonctionnement de la centrale, les matériaux sont soumis à une irradiation. Lors de cette sollicitation, la structure interne des matériaux évolue et de nombreux défauts sont créés, ce qui dégrade les propriétés macroscopiques et peut conduire à une limitation de la durée de vie des pièces. Le travail proposé est une étude fondamentale menée sur des matériaux modèles, dans le but d'approfondir notre compréhension du comportement sous irradiation des alliages métalliques. Il permettra d’alimenter la modélisation multi-échelle des matériaux, couvrant les défauts créés à l'échelle nanométrique jusqu'au niveau des composants nucléaires.
L’irradiation des matériaux avec des particules de haute énergie comme les neutrons, les ions ou les électrons génère un grand nombre de défauts appelés défauts ponctuels (DP). Ces DP, mobiles, peuvent migrer et s’agglomérer sous forme d’amas pour former des objets bidimensionnels comme des boucles prismatiques ou tridimensionnels comme des cavités. Ils peuvent également être éliminés au niveau de puits de DP. Le système est alors le siège de flux de DP orientés en direction de ces puits. Ces flux sont à l’origine de phénomènes de précipitation ou de ségrégation d’atomes de soluté [1] [2]. La présence de DP agglomérés et de flux de DP modifie la microstructure et peut détériorer les propriétés physiques des matériaux irradiés. En particulier, la formation de boucles prismatiques dégrade les propriétés mécaniques des matériaux car elles peuvent ralentir les dislocations et générer de la fragilisation [3]. Dans une étude précédente, nous nous étions intéressés aux défauts lacunaires sous forme de cavités et avions étudié le facettage de défauts formés dans un métal faiblement anisotrope, l’aluminium, grâce à des irradiations in-situ dans un microscope électronique en transition (MET) à haute résolution (MET-HR).
Le travail proposé a pour ambition d’aller plus loin dans l’étude de l’impact des champs de déformation élastiques sur les morphologies des défauts d’irradiation. Plus précisément, il a pour objectif de réaliser une étude systématique sur différents métaux présentant des coefficients d’anisotropie différents. Nous avons choisi des métaux de référence de structure cubique centrée (CC) comme le fer ou le chrome et cubique à faces centrées (CFC) comme l’aluminium ou le cuivre présentant des coefficients d’anisotropie faibles ou élevés et pourra être étendue à des alliages de complexité supérieure comme les alliages à haute entropie (HEA).
Le travail sera principalement expérimental. Les métaux étudiés sont des monocristaux présentant la même orientation [100] pour s’affranchir de l’effet des surfaces sur la forme des objets formés. Ils seront irradiés aux ions lourds à des températures normalisées par rapport à leur température de fusion soit in-situ dans la plateforme Jannus Orsay, soit ex-situ dans la plateforme Jannus du CEA de Saclay [6]. Les boucles seront imagées par MET conventionnel ou STEM avec des microscopes de type FEI Tecnai et Jeol NeoARM. Ce dernier est un appareil de toute dernière génération, équipé d’un double correcteur d’aberration de sphéricité. Le travail sera réalisé dans le cadre du laboratoire de recherche commun (LRC) MAXIT regroupant notamment le SRMP et le LEM (CNRS/ONERA).
Le travail comportera également un volet numérique. Les effets d’anisotropie cristalline sur la morphologie des boucles prismatiques seront étudiés par l'utilisation d'un code de champ de phases [4]. L’arrangement spatial des boucles sera étudié en Monte-Carlo sur objet (OKMC) [5], comme cela a été fait récemment dans l’aluminium. Dans le cadre du stage, un seul de ces axes numériques sera abordé.
Le travail est réalisé à la suite d’un travail post-doctoral de 2 ans qui s’achèvera en décembre 2023 et qui a permis de développer des approches de type intelligence artificielle (IA) pour accélérer la détection automatique des défauts créés sous irradiation [7]. L’utilisation de ces approches permettra d’améliorer significativement la statistique et la précision des résultats.
Avantage pour l’étudiant: Le stagiaire évoluera dans un laboratoire constitué de 25 chercheurs et d’environ 25 étudiants chercheurs (doctorants, post-doctorants ou stagiaires) où une règne une forte émulation scientifique. Les activités sont à la fois expérimentales et de simulation. Il aura donc l’occasion d’interagir avec des personnes compétentes dans son sujet.
[1] M. Nastar, L. T. Belkacemi, E. Meslin, et M. Loyer-Prost, « Thermodynamic model for lattice point defect-mediated semi-coherent precipitation in alloys », Communications Materials, vol. 2, no 1, p. 1-11, mars 2021, doi: 10.1038/s43246-021-00136-z.
[2] L. T. Belkacemi, E. Meslin, B. Décamps, B. Radiguet, et J. Henry, « Radiation-induced bcc-fcc phase transformation in a Fe3%Ni alloy », Acta Materialia, vol. 161, p. 61-72, 2018, doi: https://doi.org/10.1016/j.actamat.2018.08.031.
[3] M. Lambrecht et al., « On the correlation between irradiation-induced microstructural features and the hardening of reactor pressure vessel steels », Journal of Nuclear Materials, vol. 406, no 1, p. 84-89, 2010, doi: http://dx.doi.org/10.1016/j.jnucmat.2010.05.020.
[4] A. Ruffini, Y. Le Bouar, et A. Finel, « Three-dimensional phase-field model of dislocations for a heterogeneous face-centered cubic crystal », Journal of the Mechanics and Physics of Solids, vol. 105, p. 95-115, août 2017, doi: 10.1016/j.jmps.2017.04.008.
[5] D. Carpentier, T. Jourdan, Y. Le Bouar, et M.-C. Marinica, « Effect of saddle point anisotropy of point defects on their absorption by dislocations and cavities », Acta Materialia, vol. 136, p. 323-334, sept. 2017, doi: 10.1016/j.actamat.2017.07.013.
[6] A. Gentils et C. Cabet, « Investigating radiation damage in nuclear energy materials using JANNuS multiple ion beams », Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms, vol. 447, p. 107-112, mai 2019, doi: 10.1016/j.nimb.2019.03.039.
[7] T. Bilyk, A. M. Goryaeva, E. Meslin, M.-C. Marinica, Quantification of radiation damage in high entropy alloys by deep learning approach, 2-7/10/2022, MMM2022, Baltimore, USA
Etude expérimentale et modélisation de l'oxydation à haute température d'un substrat en alliage de zirconium revêtu au chrome
Ce travail de thèse s’inscrit dans le cadre de la recherche et du développement de matériaux plus résistants en conditions extrêmes à haute température. On s’intéresse ici plus particulièrement à un nouveau concept de gaines de combustible nucléaire à base de zirconium revêtues de chrome. L’objectif du sujet de thèse est d’adapter le code Ekinox-Zr, initialement développé pour décrire les phénomènes de diffusion dans les gaines de Zr non revêtues, aux gaines revêtues de Cr de sorte à construire un nouveau code « Ekinox-Zr-Cr ». Ce travail comportera deux parties : une partie modélisation/simulation et une partie expérimentale ayant pour but de déterminer les coefficients de diffusion des espèces Cr, Zr et O dans les différentes phases du système, paramètres essentiels pour la modélisation. Des expériences d’oxydation à haute température des gaines revêtues seront aussi utilisées pour mieux comprendre ces mécanismes et les comparer aux résultats obtenus avec le code Ekinox-Zr-Cr construit tout au long de la thèse.
Fissuration différée par hydruration (DHC) de gaines de combustible nucléaire : expériences, modélisations et simulations numériques des effets de microstructure
La corrosion des gaines de combustible nucléaire par l’eau du circuit primaire lors de leur passage en réacteur conduit à leur hydruration. La fissuration différée par hydruration (DHC) est susceptible d’intervenir ultérieurement, lors de leur entreposage à sec. Cette fissuration nécessite un défaut pré-existant et un historique thermo-mécanique permettant de mettre en œuvre le mécanisme itératif suivant : diffusion d’hydrogène, précipitation d’hydrures en pointe de fissure et rupture de la zone ainsi fragilisée. Au cours d’une thèse précédente réalisée dans le laboratoire d’accueil, une procédure originale couplant expériences et simulations numériques par éléments finis a permis de déterminer la ténacité des gaines de Zircaloy-4 détendu non irradiées en cas de DHC, et de rendre compte de l’effet du chargement mécanique et de la température sur le temps d’incubation et la vitesse de fissuration entre 150 et 250 °C. L’objectif de la présente thèse est d’une part d’appliquer cette procédure à un matériau de gainage plus moderne (le M5 recristallisé) et d’autre part de développer une modélisation à l’échelle fine de la microstructure pouvant rendre compte des effets sur la DHC de la texture (cristallographique et morphologique), de la direction et du plan de propagation, ainsi que de l’irradiation.
Cette thèse constitue pour le candidat l’occasion d’adopter une démarche scientifique pluridisciplinaire alliant métallurgie, mécanique et physico-chimie, en s’appuyant sur des techniques expérimentales et numériques de pointe développées au CEA et à l’Ecole des Mines. Les compétences qu’il sera ainsi amené à acquérir pourront donc être valorisées lors de la suite de sa carrière dans le monde industriel (y compris hors nucléaire) ou académique.
Caractérisation expérimentale et simulation numérique de la rupture d’oxydes intergranulaires : Application à la corrosion sous contraintes assistée par l’irradiation
Les alliages métalliques utilisés dans les applications industrielles peuvent former des couches d’oxydes en présence d’un environnement corrosif. Ces oxydes peuvent être répartis en surface et / ou se localiser au niveau des joints de grains. Dans ce dernier cas, les joints de grains oxydés peuvent rompre de manière fragile sous chargement mécanique, et potentiellement conduire à la rupture intergranulaire du matériau. Ce mécanisme est par exemple un scénario possible de la rupture de vis en acier inoxydable austénitique utilisées dans les Réacteurs nucléaires à Eau Pressurisée (REP). Sous l’effet du chargement mécanique, de l’irradiation par les neutrons et de la présence de l’environnement corrosif, ces vis peuvent se fissurer par un phénomène appelé corrosion sous contraintes assistée par l’irradiation. La modélisation de ce phénomène passe d’une part par la détermination des propriétés de rupture des oxydes intergranulaires, et d’autre part par la prise en compte des couplages entre fissuration, oxydation et irradiation. Dans cette thèse, une approche originale qui combinera expériences et simulations numériques est proposée. Dans un premier temps la mise en oeuvre de simulations numériques basées sur l’approche variationnelle de la rupture sera abordée pour concevoir des expériences de micromécanique de type micro-poutres visant d’une part à déterminer les propriétés de rupture des oxydes de manière fiable et d’autre part à étudier les couplages entre fissuration, oxydation et irradiation. En particulier, le couplage fissuration – oxydation préfigurant la transition entre amorçage et propagation sera étudié en détail. Dans un second temps, ces expériences seront réalisées sur des aciers modèles et d’intérêt industriel, puis interprétées à l’aide des simulations numériques. L’ensemble des résultats obtenus sera finalement incorporé dans des simulations d’agrégats polycristallins afin d’évaluer la possibilité de prédire de manière quantitative la fissuration intergranulaire dans le cadre du phénomène de corrosion sous contraintes assistée par l’irradiation.
A l’issue de la thèse, le doctorant aura acquis des compétences à la fois expérimentales – essais micromécaniques – et numériques – simulations numériques de rupture – à la pointe de l’état de l’art et applicables à un grand nombre de problématiques en mécanique des matériaux.
Un stage de Master 2 / fin d’études préparatoire à la thèse est disponible en 2024.
Caractérisation expérimentale et simulation par dynamique d’amas de l’effet de l’hélium sur les défauts d’irradiation et le gonflement associé dans les aciers austénitiques inoxydables des internes de cuve des réacteurs à eau pressurisée
La microstructure des matériaux des structures internes des Réacteurs à Eau Pressurisée (REPs), qui jouent un rôle primordial notamment en assurant le maintien des assemblages combustibles, évolue sous irradiation. Mieux appréhender ces évolutions pourrait permettre une meilleure prédiction du comportement en fonctionnement de ces matériaux en aciers austénitiques inoxydables (Fe-Cr-Ni) de la série 300, en particulier des aciers 304. Le gonflement constitue une de ces évolutions potentielles et la question de son existence à forte dose est d’actualité avec l’objectif de prolonger la durée de fonctionnement des REP.
L’objectif de cette thèse est d’apporter une meilleure compréhension des mécanismes de gonflement et des évolutions microstructurales au travers d’une étude analytique de l’effet de l’hélium (influence du taux d’hélium implanté jusqu’à forte dose, de la température, de la présence concomitante d’hydrogène…), produit en REP par des phénomènes de transmutation. Des caractérisations fines (échelle du grain et inférieure), couplées à des simulations en dynamique d’amas seront menées sur des aciers austénitiques inoxydables irradiés aux ions.
Cette étude sera principalement réalisée au Service de Recherche en Matériaux et procédés Avancés (SRMA) et à la Section de Recherches de Métallurgie Physique (SRMP). Elle s’appuiera sur les moyens d’irradiation aux ions (JANNuS), de caractérisations de la microstructure (notamment en Microscopie Electronique en Transmission et Sonde Atomique Tomographique) et de simulation (simulation en dynamique d’amas) disponibles. Elle sera supervisée par M. Legros (CEMES) et T. Jourdan (SRMP) et encadrée au SRMA par J. Malaplate et A. Renault-Laborne (SRMA). Ce large sujet permettra au candidat d’acquérir une formation sur le comportement des matériaux sous irradiation et aussi de solides compétences dans le domaine de la caractérisation microstructurale des matériaux et de la simulation.
Ce sujet s’adresse à un étudiant en science des matériaux, avec des compétences/appétence dans le domaine de la caractérisation et de la simulation des matériaux. Un stage de Master 2 est proposé en amont de ce sujet.